余秋安，徐俠松，張松華，江 巍，王從鋒

（1.湖北省送變電工程公司，湖北 武漢 430063；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

0 引言

在河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸變電線路工程建設(shè)中，經(jīng)常遇到在魚塘、藕塘等水域中修建承臺(tái)的情況，此時(shí)臨時(shí)圍堰工程的實(shí)施必不可少。臨時(shí)圍堰的做法有土石圍堰、草土圍堰、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰、鋼吊（套）箱圍堰、鉆孔樁圍堰等多種型式，其適用范圍并不相同，鋼板樁圍堰以其優(yōu)越的防水性能、施工工藝的成熟性和對河網(wǎng)區(qū)域地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性，往往成為施工單位的首選方案。

鋼板樁圍堰是使用率最高的一種板樁圍堰。鋼板樁是一種帶有鎖口的型鋼，其截面形式有U形、Z形、L/S形和直線形等，尺寸大小及聯(lián)鎖形式多種多樣，目前較常見的為拉森式和拉克萬納式等。鋼板樁的材料強(qiáng)度高，易打入堅(jiān)硬土層；樁長較大且可接長，可用于深水區(qū)施工；可加斜撐形成圍籠提高整體穩(wěn)定性，防水性能好；能根據(jù)工程對象組成各種外形，并可重復(fù)使用，因此，鋼板樁圍堰被廣泛的用于橋梁工程[1-2]、水利工程[3-4]等領(lǐng)域。

經(jīng)過國內(nèi)多年的施工實(shí)踐，鋼板樁圍堰從布置方案[5]、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]到施工工藝[7-8]等都取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，尤其以橋梁工程領(lǐng)域的施工資料最為豐富，國內(nèi)外也針對鋼板樁圍堰工程的具體實(shí)施進(jìn)行過一些總結(jié)[9]，但針對河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸變電線路水域承臺(tái)這一特殊對象，在進(jìn)行方案布置時(shí)，鋼板樁圍堰的高度、外形、尺寸、封底、支撐布置等工程要素應(yīng)當(dāng)如何考慮仍然缺乏深入的研究。本文以湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)為主要工程對象展開研究，通過對國內(nèi)成功實(shí)施的鋼板樁圍堰工程進(jìn)行調(diào)查分析，結(jié)合工程對象特點(diǎn)，對上述工程要素進(jìn)行進(jìn)一步的明確，為河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路水域承臺(tái)的鋼板樁圍堰布置提供技術(shù)參考。

1 湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)的工程特點(diǎn)

特高壓輸電線路是指采用電壓等級(jí)達(dá)到750 kV以上的輸電線路，目前我國已經(jīng)投入運(yùn)行的最高電壓等級(jí)的輸電線路為“晉東南—荊門1 000 kV輸電線路工程”，2006年8月19日正式開工建設(shè)，2009年1月6日正式投入運(yùn)行，線路全長約604 km。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和發(fā)電量、用電量的倍數(shù)增長，特高壓輸電線路在減少輸電損耗，降低線路單位造價(jià)，充分利用線路走廊等方面具備明顯優(yōu)勢，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。

特高壓輸電線路建設(shè)經(jīng)過河網(wǎng)區(qū)域時(shí)，其水域承臺(tái)工程的順利進(jìn)行直接關(guān)系到線路整體工程的成功實(shí)施。湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)在進(jìn)行鋼板樁圍堰布置時(shí)，與大型橋梁工程、水利工程等領(lǐng)域中的鋼板樁圍堰實(shí)施在以下方面存在差異：

（1）地質(zhì)條件相對較好。與在大江大河或入海口等地質(zhì)條件復(fù)雜的施工區(qū)域相比，湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰施工一般在魚塘、藕塘等位置進(jìn)行，地表組成物質(zhì)以近代河流沖積物和湖泊淤積物為主，主要包括細(xì)砂、粉砂及粘土。以湖北送變電公司提供的勘察資料為例，其水體以下地層按先后順序一般為：1.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉質(zhì)粘土，往下則為厚層的粘土、粉土、細(xì)砂等分布，少有厚卵石層、基巖等堅(jiān)硬地層分布，易于鋼板樁圍堰的實(shí)施。

（2）水文條件相對簡單。湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰施工所在的水域一般水深僅在1.5～2.0 m范圍內(nèi)，而橋梁工程中的鋼板樁圍堰則水深較大（可達(dá)10 m以上），此種情況下鋼板樁圍堰除需要承受巨大的水壓力之外還需要考慮高水頭情況下可能引發(fā)的管涌，隆起等一系列問題。在河網(wǎng)區(qū)域施工時(shí)，圍堰外的水位一般穩(wěn)定、流速基本可以忽略，不需要像橋梁工程中的鋼板樁圍堰需要考慮水位變化和流水壓力。

（3）施工地點(diǎn)的局限性。湖北河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰施工的施工地點(diǎn)一般散布（參照《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50065-2011)》[10]規(guī)定，水域承臺(tái)其距離可以km計(jì)），其建設(shè)地點(diǎn)距離大，工程項(xiàng)目不集中。河網(wǎng)區(qū)域施工道路的布置受到局限，較窄的道路和渠堤限制了大型機(jī)械設(shè)備的行進(jìn)，如果進(jìn)行道路建設(shè)則會(huì)導(dǎo)致額外的征地補(bǔ)償支出。因此河網(wǎng)區(qū)域的特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰施工在與其他項(xiàng)目協(xié)同考慮方面存在較大的困難。

2 水域承臺(tái)鋼板樁圍堰工程的布置要素分析

通過文獻(xiàn)查閱、施工單位調(diào)研等方式我們共收集到了國內(nèi)53個(gè)成功的鋼板樁圍堰實(shí)際工程案例（其中華東地區(qū)11個(gè)，華中地區(qū)15個(gè)，華北地區(qū)9個(gè)，華南地區(qū)8個(gè)，西南地區(qū)6個(gè)，東北地區(qū)2個(gè)，西北地區(qū)2個(gè),分布圖見圖1），搜集到的資料中橋梁工程鋼板樁圍堰工程數(shù)量最多，相關(guān)資料也最為詳盡，但其對于本項(xiàng)目的研究仍然具有足夠的參考價(jià)值。

圖1 收集到的鋼板樁圍堰工程案例區(qū)域分布Fig.1 Areal distribution of collected engineering examples

通過對這些鋼板樁圍堰工程布置方案的分析和歸納，結(jié)合河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路水域承臺(tái)的工程特點(diǎn)，逐項(xiàng)明確本項(xiàng)目中鋼板樁圍堰工程的布置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的工程要素。

2.1 圍堰頂?shù)母叨?/h3>

圍堰頂?shù)母叨纫话銇碚f主要由施工期間可能出現(xiàn)的最高水位決定，其應(yīng)超過一定距離以保證工程安全。對國內(nèi)53個(gè)成功的鋼板樁圍堰實(shí)際工程案例的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納，將圍堰頂部高度與施工期水位的高差按照＜0.5 m、0.5～1.0 m、＞1.0～1.5 m，＞1.5 m四檔進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，其比例關(guān)系如圖2所示。

圖2 施工期水位與鋼板樁圍堰頂?shù)母叨炔钪当壤龍DFig.2 Proportion of four grades about difference between cofferdam top and outer water level

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工程當(dāng)中采用最多的為0.5～1.0 m這一范圍，比例接近70%，其余檔的采用比例不高，如果該差值過小，則會(huì)導(dǎo)致施工期間存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，如果該差值過大，則會(huì)造成不必要的浪費(fèi)?？紤]到本項(xiàng)目施工所在位置的水文條件比較穩(wěn)定，出現(xiàn)大風(fēng)大浪的機(jī)率不大，因此將鋼板樁圍堰頂?shù)母叨瓤刂圃谑┕て谒灰陨?.5～1.0 m范圍內(nèi)是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.2 圍堰的外形形狀

理論上采用圓形的圍堰外形可以更好的適應(yīng)于較大的水流速度和較深水位的情況，但通過對實(shí)際工程案例的分析，圍堰外形主要取決于承臺(tái)的外形形狀，圓形圍堰使用的比例很低。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅有五河定淮淮河特大橋等10個(gè)工程案例使用圓形圍堰，其占總案例個(gè)數(shù)的比例不超過20%，采用矩形圍堰形式的工程案例比例則超過80%。

雖然圓形鋼板樁圍堰具有強(qiáng)度高、整體性能好,防水性能好、占地空間小,節(jié)省材料,施工成本較低等優(yōu)點(diǎn),但是這種外形形式的鋼板樁圍堰施工起來存在一定的技術(shù)難度，合攏控制精度要求高，內(nèi)支撐設(shè)計(jì)與安裝較復(fù)雜，加工焊接質(zhì)量要求嚴(yán)苛，所以實(shí)際工程中矩形外形的鋼板樁圍堰應(yīng)用更為廣泛。結(jié)合本項(xiàng)研究中工程對象特點(diǎn)，鋼板樁圍堰的外形形狀按矩形布置。

2.3 圍堰的平面尺寸

圍堰的平面尺寸大小主要取決于水域承臺(tái)的尺寸，一般在其基礎(chǔ)上需要預(yù)留一定的施工操作空間，預(yù)留操作空間的尺寸一般在1 m左右，但在實(shí)際操作中仍然存在一定區(qū)別，將預(yù)留操作空間尺寸按1.0～1.5 m，＞1.5～2.0 m，＞2.0 m三檔劃分，實(shí)際工程中采用的比例情況如圖3所示。

根據(jù)實(shí)際工程中預(yù)留空間尺寸采用的比例情況，采用1.0～1.5 m的預(yù)留操作空間比例占到57%，為最高，其次為1.5～2.0 m這一檔，實(shí)際采用比例占27%。根據(jù)本工程對象的施工特點(diǎn)，采用大型機(jī)械設(shè)備的可能性不大，所以預(yù)留操作空間采用1.0～1.5 m是足夠的，以水域承臺(tái)的尺寸為基礎(chǔ)，四周各預(yù)留1.0～1.5 m后取整數(shù)，可以確定鋼板樁圍堰布置的平面尺寸大小。

2.4 圍堰的封底做法

搜集到的鋼板樁圍堰施工資料中，有24個(gè)工程實(shí)例對如何進(jìn)行封底進(jìn)行了描述，在實(shí)際工程大多數(shù)工程采用了較厚的素混凝土進(jìn)行封底，但也有部分工程采用了其他手段，如灌漿封底或者鋪設(shè)較薄混凝土墊層，干法施工封底等，其封底做法的差異主要取決于基底地層的滲透性和堅(jiān)硬性情況，根據(jù)調(diào)查資料各種不同封底做法的采用比例見圖4。

圖3 實(shí)際工程中鋼板樁圍堰采用的預(yù)留空間尺寸比例圖Fig.3 Proportion of three grades about reserved space in cofferdam

圖4 實(shí)際工程中鋼板樁圍堰封底做法比例圖Fig.4 Proportion of four bottom sealing methods used in engineering examples

灌漿封底做法主要使用于基底覆蓋層中包含粉砂、粉土和砂礫但下方不遠(yuǎn)處又存在明顯不透水層（如基巖、硬塑性粘土等）的情況，如京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋工程就采用了此種做法。澆筑較薄的混凝土墊層做法一般適用于基底覆蓋層為不液化的粘土層情況，當(dāng)板樁所處地層為硬塑狀粘土且分布穩(wěn)定、強(qiáng)度較高、均勻性較好、地質(zhì)狀況較好的情況下，可以直接采用干法施工，而且混凝土厚度與常規(guī)封底相比明顯偏小，如京滬高速鐵路德禹特大橋封底混凝土僅為30 cm厚的混凝土等。干法封底做法一般適用于基底覆蓋層為普通黏土、亞砂土等地層的情況，這種情況雖然地層沒有硬塑狀粘土堅(jiān)硬可靠，但是在抽水之后可以依靠自身滿足基本的抗隆起、抗管涌等要求，如白沙河大橋主墩等工程。水下導(dǎo)管混凝土封底做法主要使用于基底覆蓋層為滲透性較強(qiáng)的淤泥、河沙、軟土等常見情況，此時(shí)即使可以完成抽水工作覆蓋層也無法提供干法施工所必須的基底穩(wěn)定性，如半浦余姚江特大橋主橋承臺(tái)等工程。

針對本工程對象，如前章所述，地質(zhì)條件多為薄層淤泥下為普通黏土、亞砂土等地層，施工所在位置一般水深不超過2 m，圍堰內(nèi)外水頭差較小，因此采用干法封底施工具有很強(qiáng)的可行性，但是在實(shí)際操作時(shí)需要進(jìn)行基底的抗隆起和抗管涌計(jì)算，達(dá)到相關(guān)規(guī)定的安全系數(shù)要求，確保施工安全。

2.5 支撐高度間距和布置方式

鋼板樁圍堰通過支撐相互連接，形成整體的受力體系，支撐布置的道數(shù)一般由鋼板樁圍堰的深度決定，第一排支撐一般與施工期間水位齊平，多道支撐之間的間距一般控制在2.0～4.0 m之內(nèi)。根據(jù)搜集到的29個(gè)圍堰支撐布置的工程實(shí)例情況，支撐間距按＜2.5 m，2.5～3.5 m，＞3.5 m三檔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到的比例結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)際工程中鋼板樁圍堰多道支撐間距比例圖Fig.5 Proportion of three grades about the height gap between inner supports

根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，將支撐間距設(shè)定在2.5～3.5 m是采用得最多的，占56%，但也有36%的實(shí)際工程將支撐間距取在2.5 m以下，針對本工程對象，假設(shè)第一道支撐與水面齊平，那么根據(jù)地質(zhì)條件距離粘土層的高度約在3.0～3.5 m范圍內(nèi)，在將水抽干，淤泥開挖完畢之后就必須進(jìn)行第二道支撐的安裝，考慮到施工操作面的因素，本項(xiàng)目的支撐間距應(yīng)根據(jù)水深情況取2.0 m或者2.5 m。

對于支撐的平面布置形式，主要與鋼板樁圍堰的平面尺寸相關(guān)，根據(jù)調(diào)查，本項(xiàng)目中鋼板樁圍堰的平面尺寸約在20～25 m之間，為此搜集了如圖6所示的襄樊漢江三橋橋墩承臺(tái)圍堰等12個(gè)類似平面大小的鋼板樁圍堰支撐平面布置圖。

圖6 襄樊漢江三橋橋墩承臺(tái)圍堰（平面尺寸21.6 m×21.6 m）Fig.6 The arrangement of Han River 3th bridge cofferdam(plan size 21.6 m×21.6 m)

圖7 本項(xiàng)目中擬采用的支撐平面布置形式（著力點(diǎn)間距3.0～3.6 m）Fig.7 The cofferdam arrangement proposed in this project(the gap between bearings take 3.0～3.6 m)

根據(jù)上述實(shí)際工程中支撐布置的形式，綜合考慮受力合理和安全性，擬定對本項(xiàng)目中的鋼板樁圍堰支撐采用如圖7所示的平面布置形式，支撐著力點(diǎn)的間距在3.0～3.6 m之間，進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)尚需進(jìn)行計(jì)算分析，確保支撐能有效的協(xié)助鋼板樁圍堰承擔(dān)各種荷載，達(dá)到整體受力的效果。

3 結(jié)語

通過分析河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路水域承臺(tái)的工程特點(diǎn)及其對鋼板樁圍堰的要求，搜集、分析和歸納國內(nèi)成功實(shí)施的鋼板樁圍堰施工資料，我們對河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰的頂部高度、外形形狀、平面尺寸、封底做法、支撐高度間距和平面布置形式等布置方案要素進(jìn)行逐一分析，分析結(jié)果可供河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路建設(shè)單位參考。但是對于河網(wǎng)區(qū)域特高壓輸電線路水域承臺(tái)鋼板樁圍堰工程具體實(shí)施時(shí)的施工設(shè)備，施工工藝等，還有待進(jìn)一步的研究。

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